Скачиваний:   2
Пользователь:   elenka
Добавлен:   24.10.2014
Размер:   70.5 КБ
СКАЧАТЬ

ГЛАВА  6

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

6.1. Общие представления

            В традиционной медицине  недостаточно уделяется внимание роли генетических факторов в возникновении экологически зависимых заболеваний. Между тем, достижения молекулярной и генетической эпидемиологии свидетельствуют об очевидности взаимодействия между наследственностью и окружающей средой в этиологии и патогенетических механизмах возникновения многих известных заболеваний.

            Как известно, гены определяют структуру и количество белков в клетке. Протеины участвуют в осуществлении и регуляции метаболизма. Воздействие внешней среды модулирует эти процессы. Каждый из индивидуумов имеет уникальный набор генов, который именуют как генотип. Следовательно, результатом взаимодействия между окружающей средой и генотипом будет совокупность морфологических и функциональных характеристик клеток, индивидуумов, что именуется фенотипом.

            Одним из аспектов фенотипа является здоровье индивидуума, которое поддерживается тонким балансом между действием разнообразных экологических факторов и генетическими функциями. Поскольку каждый человек генетически индивидуален, способность поддерживать здоровое состояние организма в различных экологических условиях будет отличаться. Более того, риск развития какой--либо патологии в ответ на воздействие внешней среды будет зависеть от генетической индивидуальности.

            Помимо наследуемых мутаций, половые и соматические клетки могут претерпевать мутации в течение жизни в результате каких--то нарушений метаболизма или действия экологических факторов. В среде существует множество генотоксических агентов (т.е. воздействующих на генетический аппарат), которые способны вызывать упомянутое действие. Если такая приобретенная мутация возникает в гамете, она может быть передана потомству. Напротив, новые мутации в соматических клетках потомству не передаются, но могут явиться причиной рака или других заболеваний.

            Цель этой  главы, выделить некоторые основные принципы, механизмы наследственности и влияния на них факторов окружающей среды, которые все вместе играют важную роль в возникновении заболеваний человека.

6.2. Повреждение ДНК и мутации.

Поддержание структуры и функций генетического аппарата, безошибочная реализация генетической информации существенна в жизни клетки. Как известно, ДНК является двойной спиралью полинуклеотидных цепей, содержится в ядре клетки, где организована в хромосомах и связана с хромосомными белками. Единицей генетического кода является  триплет нуклеодтидов - последовательность трех азотистых оснований, которая определяет порядок аминокислот в первичной структуре белка. Передача генетической информации однонаправлена и включает несколько этапов  - транскрипцию (синтез иРНК), трансляцию (синтез протеина на рибосомах) и процессинг, т.е. посттрансляционную модификацию (рис. 6.1). В человеческом геноме имеется около трех миллиардов азотистых оснований, что соответствует примерно 80000 генам. Общая длина ДНК половой клетки – около 1 метра. Меньшая часть (примерно от 5000 до 30000) из упомянутых генов дифференцированной клетки человеческого организма активны в каждый данный момент времени.

Мутагенезом называют последовательность событий, ведущих к мутации клетки. Этот процесс включает несколько стадий: воздействие на клетку, возникновение повреждений в ДНК, неполную репарацию, репликацию поврежденной  ДНК, клеточное деление. Мутантный фенотип реализуется в дочерней клетке.

Изменения структуры ДНК могут происходить под влиянием различных факторов: эндогенных и экзогенных, т.е. факторов внешней среды. Первые из них обусловлены ошибками репликации. В целом, правильная структура молекулы ДНК поддерживается при репликации множеством белков, включая ферменты репарации этой макромолекулы. Репликация осуществляется с большой точностью. Возможна одна ошибка на  1010 пар азотистых оснований. Так как  репликация в любой соматической клетке включает 0,6*1010 пар оснований,  случайные ошибки могут произойти почти при каждом делении. В большинстве случаев ошибки могут быть связаны с «молчащими» участками молекулы ДНК, которые составляют  подавляющую часть генома и не представляют дальнейшей опасности.

Ко второй группе факторов относятся многочисленные компоненты внешней среды: физические, химические и биологические, которые способны модифицировать ДНК. К таким генотоксичным агентам можно отнести ионизирующее излучение, ультрафиолет, воздействие многочисленных ксенобиотиков и вирусов. Радиация, к примеру, вызывает как образование одно-- и двунитевых разрывов полинуклеотидных цепочек ДНК, так и модификацию азотистых оснований. Ультрафиолетовое  излучение является причиной  образования тиминовых димеров. Многие генотоксичные ксенобиотики способны  присоединяться к азотистым основаниям, образуя аддукты. Помимо этого возможно химическая модификация или потеря азотистых оснований (апуриновые сайты), образование дополнительных ковалентных связей между цепочками ДНК  с окружающими ее белковыми молекулами и др. (рис.6.2). Вирусный геном может встраиваться  в участок ДНК какого--то  гена.

Эффективная защита против спонтанных и экологически вызванных повреждений ДНК существенна для клеточного выживания и здоровья индивидуума. Ограниченное повреждение ДНК может  иметь незначительный  эффект на клеточные функции, если оно имеет место в неактивном гене. Напротив, повреждение в реплицирующейся ДНК всегда связано с последствиями. Из--за недостатка времени на восстановление или  неполная репарация при продолжающейся репликации могут фиксировать повреждения ДНК, приводя к необратимым генетическим повреждениям. Эта стадия, именуемая фиксацией может вести непосредственно к мутации и структурным изменениям хромосом. Следовательно, повреждение должно быть удалено перед синтезом новых цепочек ДНК. В процессе эволюции появилось множество различных механизмов репарации, которые справляются  с разнообразными  повреждениями ДНК (рис.6.3).

Механизм репарации осуществляет коррекцию ошибочно встроенных азотистых оснований при репликации  вновь синтезируемой молекулы ДНК. Пять генов человека кодируют белки, участвующие в механизме репарации. Гены расположены на 2, 10, 13 и 19 хромосомах человека. Мутации в этих генах связаны с наследуемой формой рака кишечника и эндометрия (наследственный неполипозный колоректальный рак, HNPCC).  Клетки этой формы рака имеют нестабильность в коротких повторяющихся последовательностях ДНК и повышенную частоту мутаций.

Примером репарации может быть функционирование одной из метилтрансфераз.  Фермент О6--метил--гуанин--ДНК--метилтрансфераза (МГМТ)  катализирует реакцию прямого отщепление от эпоциклического кислорода гуанина мутагенных и цитотоксичных соединений (алкилирующих соединений), содержащих метильные группировки (рис.6.4). Группировка транспортируется на остаток цистеина фермента.  Энзим инактивируется в результате подобной реакции. Поэтому интенсивное воздействие метилирующих ксенобиотиков может временно истощать его  репарирующую функцию и приводить к мутациям.

Эксцизионная  репарация нуклеотидов способна исправлять многие разновидности повреждений ДНК, например, вырезать тиминовые димеры или  большие аддукты. Начинается она с обнаружения и вырезания поврежденного компонента с помощью ДНК--гликозилазы. Такой участок, лишенный основания может возникнуть и в результате спонтанной депуринации, например, путем  повреждения в результате действия радиации или при действии алкилирующих агентов. Участок атакуется эндонуклеазой, расщепляющей фосфодиэфирную связь в полинуклеотидной цепи. Фермент  надрезает цепи ДНК с двух сторон от повреждения, затрагивая олигонуклеотидный фрагмент размером  в 30 оснований. Недостающий участок  достраивается с помощью ДНК--полимеразы с учетом комплементарности второй, неповрежденной цепи. Окончательную достройку «надреза» осуществляет ДНК--лигаза.

Помимо описанных, существуют и другие механизмы репарации ДНК. Двойные разрывы или обширные нереплицированные участки могут быть восстановлены рекомбинантной репарацией, которая использует информацию гомологичной сестринской хроматиды в гомологичной хромосоме, однако подробная информация об этом процессе для  клеток человека в деталях не известна.

6.3. Типы мутаций

Обычный ген содержит от 10 до 100 тысяч пар азотистых оснований и включает область промотора (регулятор транскрипционной активности), изменяющееся число экзонов (кодирующая часть гена), обычная длина которых не превышает 250 пар оснований, интронов (некодирующая часть между экзонами, играющих важную роль в организации иРНК) и терминальную область со специфической сигнальной последовательностью, важной для стабилизации иРНК (рис.6.5). Мутации могут быть вызваны удалением или заменой одного или нескольких оснований в экзоне, удалением больших фрагментов (целых экзонов), а также различного вида перестановок всего или части гена (дубликация, инверсия).

Большинство замен,  касающихся третьего азотистого основания в триплете остаются незаметны в силу того, что они не изменяют смысла генетического кода.  Мутации, которые касаются изменения фенотипических свойств связаны с полной (нуль--мутации) или частичной потерей функции гена. Мутации в сплайсинговой области, вызывающие потерю экзона а также бессмысленные мутации, связанные с преждевременным окончанием трансляции ведут к синтезу неполноценного белка. Миссенс--мутации различным образом влияют на функцию белка в зависимости от типа и месторасположения аминокислоты. Замена одной аминокислоты на похожую другую, не оказывает эффекта на структуру и функцию белка и классифицируются как нейтральные мутации. Большие потери  гена могут захватывать участки соседних генов и следовательно они будут относиться к хромосомным мутациям. Перечисленные типы генетических мутаций суммированы в таблице 6.1.

Таблица 6.1.

Типы генетических мутаций.

Разновидность

Положение

Последовательность

Примечание

Замена азотистых оснований

Кодирующая область

Миссенс--мутация

Реализация ошибочной информации в кодировании аминокислот ведет к изменению функции белка

Замена азотистых оснований

Кодирующая область

Бессмысленный кодон

Передача стоп--сигнала прекращает белковый синтез.

Замена азотистых оснований

Область сплайсинга

Сплайсинговая мутация

Потеря экзона ведет к потере белковой функции

Потеря/добавление

1--2 оснований

Кодирующая или сплайсинговая области

Рамочная мутация, сплайсинговая мутация

Кодирующая последовательность вне рамки прекращает синтез белка.

Малые или большие делеции, перегруппировки

Кодирующая и/или сплайсинговая области: данные мутации могут захватывать области от 3 оснований в кодирующей или сплайсинговой областях до нескольких миллионов оснований, включая целые гены или несколько различных генов. В последнем случае эти изменения накладываются с хромосомными удалениями и перестановками.

 

Обычно мутация ведет к потере функции белка или уменьшению активности фермента. Очень редко может быть обратный эффект - путем увеличения времени жизни протеина или увеличения его сродства к лиганду или субстрату. Последствия такой мутации для клеточного фенотипа также вредно, как и изменение функции.

Известно, что клетки с дефектными механизмами репарации имеют увеличенную чувствительность к генотоксическим агентам и, следовательно, будут иметь повышенную частоту мутаций. У индивидуумов с  наследственными дефектами ДНК выявляется увеличенная чувствительность к генотоксическому воздействию, увеличенный уровень хромосомных аберраций и мутаций в соматических клетках, указывающих на хромосомную неустойчивость и предрасположенность к раку. Эти нарушения выражаются в виде пигментной ксеродермы, синдрома Коккейна (Cockayne), атаксии телеангиэктазии, анемии Фанкони и синдром Блума.

К примеру, синдром Блума связан с дефектом гена, кодирующего на 15--ой хромосоме аминокислотную последовательность ДНК--лигазы. Данное нарушение не является жизненно критическим, однако неспособность восстанавливать дефекты ДНК ведет к ее нестабильности, увеличенной частоте мутаций и увеличенному риску онкологических заболеваний.

Репликация, транскрипция и репарация ДНК являются интегрированными процессами, которые имеют много общего. Появление повреждений в ДНК останавливает репликацию и транскрипцию, пока поврежденные участки не будут восстановлены. Повреждения в системе репарации ДНК могут привести к гибели клетки, а ее выживание к мутации, аномальностям хромосом и геномной неустойчивости. Неполное восстановление или ошибочная репарация могут вести к различным типам мутаций. Например, если произошел двунитевой разрыв ДНК и в последствии  он не был репарирован, это может вести к нарушению структуры хромосом. Если же такие повреждения были неправильно репарированы, это приведет к образованию дицентрических хромосом или хромосомным транслокациям. Азотистые основания  с аддуктами или их другие структурные модификации могут быть  ошибочно опознаны ферментами репликации, что  приведет к замене самих оснований. Например, поврежденное основание 8--ОН--дезоксигуанин может образовать ошибочную комплементарную пару с аденином, вызывая замену ГЦ--ТА во вновь синтезируемой молекуле ДНК, а  О6--метилгуанин может ошибочно образовывать пару с тимином, ведущих к замене ГЦ--АТ. Такие замены способны увеличить число ошибок (так называемые бесмыссленные мутации).

Определение спектра  и частоты мутаций представляет интерес с точки зрения идентификации генотоксических агентов в отношении определенных локусов хромосом (рис.6.6). Такие мутационные спектры могут служить в будущем ключом для идентификации мутагенов окружающей среды, действующих на людей in vivo.

6.4. Влияние продолжительности жизни на частоту мутаций.

Расчеты показывают, что любой специфический ген может подвергнуться мутации приблизительно один раз на 107 делений клетки, что соответствует средней частоте мутации 10-7--10-6/ген и клеточное деление. Несмотря на кажущуюся редкость, значение суммарного количества  клеточных  делений в организме человека в течение всей жизни (1016) будет свидетельствовать в пользу того, что генные мутации являются неизбежными и могут иметь место во многих клетках организма.

К примеру, возрастные изменения частоты мутаций в hprt--гене (неэссенциальный ген, кодирующий гипоксантин--гуанин--фосфорибозил--трансферазу) Т--лимфоцитов составляют в организме взрослого человека приблизительно 2 мутации на 10 миллионов клеток в год. Принимая, что в организме взрослого человека содержится 100 миллиардов Т-- лимфоцитов (1011), а также то, что каждая клетка делится примерно один раз в два года, получится, что в указанном гене этих форменных элементах крови произойдет 10000 новых мутаций в год.  А с учетом того, что в геноме человека имеется приблизительно 80000 генов, становится очевидным, что накопление этих изменений внесет значительный вклад в процесс биологического старения.

 

 

 

 

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика